Cum diferă eficiența unităților cu turbine cu gaz și eficiența unităților cu turbine cu gaz comprimat pentru centralele electrice interne și externe? Turbine cu abur și cu gaz: scop, principiu de funcționare, design, caracteristici tehnice, caracteristici de funcționare Instalații cu piston cu gaz versus instalații cu turbine cu gaz - cantitate

O turbină este orice dispozitiv rotativ care utilizează energia unui fluid de lucru în mișcare (fluid) pentru a produce lucru. Fluidele tipice ale turbinelor sunt: ​​vânt, apă, abur și heliu. Morile de vânt și barajele hidroelectrice au folosit turbine de zeci de ani pentru a învârti generatoarele electrice și pentru a produce energie pentru industrie și locuințe. Turbinele simple există de mult mai mult timp; prima dintre ele a apărut în Grecia antică.

În istoria producerii de energie, însă, turbinele cu gaz în sine au apărut nu cu mult timp în urmă. Prima turbină cu gaz practic utilă a început să genereze electricitate în Neuchatel, Elveția, în 1939. A fost dezvoltat de compania Brown Boveri. Prima turbină cu gaz care a alimentat o aeronavă a intrat în funcțiune și în 1939 în Germania, folosind o turbină cu gaz proiectată de Hans P. von Ogein. În Anglia, în anii 1930, invenția și proiectarea turbinei cu gaz de către Frank Whittle au condus la primul zbor cu turbină în 1941.

Figura 1. Diagrama unei turbine de avion (a) și a unei turbine cu gaz pentru utilizare la sol (b)

Termenul „turbină cu gaz” este ușor înșelător, deoarece pentru mulți înseamnă un motor cu turbină care folosește gaz drept combustibil. De fapt, o turbină cu gaz (prezentată schematic în Fig. 1) are un compresor care furnizează și comprimă gaz (de obicei aer); camera de ardere, unde arderea combustibilului încălzește gazul comprimat și turbina însăși, care extrage energie din fluxul de gaze fierbinți, comprimate. Această energie este suficientă pentru a alimenta compresorul și rămâne pentru aplicații utile. O turbină cu gaz este un motor cu ardere internă (ICE) care utilizează arderea continuă a combustibilului pentru a produce muncă utilă. Aceasta distinge turbina de motoarele cu carburator sau diesel cu ardere internă, unde procesul de ardere este intermitent.

Din anul 1939 folosirea turbine cu gaz a început simultan atât în ​​sectorul energetic, cât și în cel al aviației - nume diferite sunt folosite pentru aviație și turbinele cu gaz de la sol. Turbinele cu gaz din aviație sunt numite motoare cu turboreacție sau cu reacție, iar alte turbine cu gaz sunt numite motoare cu turbină cu gaz. ÎN Limba engleză Există și mai multe nume pentru aceste motoare în general identice.

Utilizarea turbinelor cu gaz

Într-un motor cu turboreacție de avion, energia din turbină antrenează un compresor, care atrage aer în motor. Gazul fierbinte care părăsește turbina este eliberat în atmosferă prin duza de evacuare, care creează forță. În fig. 1a prezintă o diagramă a unui motor turborreactor.

Figura 2. Reprezentarea schematică a unui turboreactor de avion.

Un motor turboreactor tipic este prezentat în Fig. 2. Astfel de motoare creează o tracțiune de la 45 kgf la 45000 kgf cu o greutate proprie de la 13 kg la 9000 kg. Cele mai mici motoare propulsează rachete de croazieră, cele mai mari propulsează avioane uriașe. Turbina cu gaz din fig. 2 este un motor turboventilator cu un compresor de diametru mare. Impingerea este creata atat de aerul care este aspirat de compresor, cat si de aerul care trece prin turbina in sine. Motorul este mare și capabil să producă tracțiune mare la viteză mică în timpul decolării, ceea ce îl face cel mai potrivit pentru aeronavele comerciale. Un motor turboreactor nu are ventilator și creează tracțiune cu aer care trece complet prin calea gazului. Motoarele turboreacție au dimensiuni frontale mici și produc cea mai mare tracțiune la viteze mari, făcându-le cele mai potrivite pentru utilizarea pe avioane de luptă.

ÎN turbine cu gazÎn aplicațiile non-aviație, o parte din energia turbinei este utilizată pentru a antrena compresorul. Energia rămasă - „energie utilă” - este îndepărtată de pe arborele turbinei la un dispozitiv de utilizare a energiei, cum ar fi un generator electric sau elicea unei nave.

O turbină cu gaz tipică pentru utilizarea terenului este prezentată în Fig. 3. Astfel de instalații pot genera energie de la 0,05 MW până la 240 MW. Instalația prezentată în fig. 3 este o turbină cu gaz, derivată dintr-una de avion, dar mai uşoară. Unitățile mai grele sunt proiectate special pentru utilizarea terenurilor și se numesc turbine industriale. Deși turbinele derivate din aeronave sunt din ce în ce mai folosite ca generatoare de energie primară, ele sunt încă cel mai des folosite ca compresoare de pompare. gaz natural, alimentează navele și sunt utilizate ca generatoare suplimentare de energie în perioadele de vârf. Generatoarele de pe turbinele cu gaz pot intra rapid în funcțiune, furnizând energie în momentele de cea mai mare nevoie.

Figura 3. Cea mai simplă turbină cu gaz într-o singură treaptă pentru utilizarea terenului. De exemplu, în sectorul energetic. 1 – compresor, 2 – camera de ardere, 3 – turbina.

Cele mai importante avantaje ale unei turbine cu gaz sunt:

1. Este capabil să producă multă energie cu o dimensiune și o greutate relativ mici.
2. O turbină cu gaz funcționează într-un mod de rotație constantă, spre deosebire de motoarele cu piston care funcționează cu sarcini în continuă schimbare. Prin urmare, turbinele durează mult timp și necesită întreținere relativ mică.
3. Deși o turbină cu gaz este pornită folosind echipamente auxiliare, cum ar fi motoare electrice sau altă turbină cu gaz, pornirea durează câteva minute. Pentru comparație, timpul de pornire al unei turbine cu abur este măsurat în ore.
4. O turbină cu gaz poate folosi o varietate de combustibili. Turbinele mari de pe uscat folosesc de obicei gaz natural, în timp ce turbinele aeronavelor folosesc de obicei distilate ușoare (kerosen). Se poate folosi și motorină sau păcură tratată special. De asemenea, este posibil să se utilizeze gaze inflamabile din procesul de piroliză, gazeificare și rafinare a petrolului, precum și biogaz.
5. De obicei, turbinele cu gaz folosesc aerul atmosferic ca fluid de lucru. Când se generează energie electrică, o turbină cu gaz nu necesită lichid de răcire (cum ar fi apa).

În trecut, unul dintre principalele dezavantaje ale turbinelor cu gaz era eficiența lor scăzută în comparație cu alte motoare cu ardere internă sau turbine cu abur din centralele electrice. Cu toate acestea, în ultimii 50 de ani, îmbunătățirile în proiectarea lor au crescut eficiența termică de la 18% în 1939 la turbina cu gaz Neuchatel la eficiența actuală de 40% în funcționarea cu ciclu simplu și aproximativ 55% în funcționarea cu ciclu combinat (mai multe despre aceasta mai jos. ). În viitor, eficiența turbinelor cu gaz va crește și mai mult, eficiența ciclului simplu de așteptat să crească la 45-47% și eficiența ciclului combinat la 60%. Aceste eficiențe așteptate sunt semnificativ mai mari decât cele ale altor motoare comune, cum ar fi turbinele cu abur.

Cicluri ale turbinei cu gaz

Ciclograma arată ce se întâmplă când aerul intră, trece prin calea gazului și iese din turbina cu gaz. De obicei, o ciclogramă arată relația dintre volumul de aer și presiune dintr-un sistem. În fig. Figura 4a prezintă ciclul Brayton, care arată modificarea proprietăților unui volum fix de aer care trece printr-o turbină cu gaz în timpul funcționării acesteia. Zonele cheie ale acestei ciclograme sunt prezentate și în reprezentarea schematică a unei turbine cu gaz din Fig. 4b.

Figura 4a. Diagrama ciclului Brayton în coordonatele P-V pentru un fluid de lucru, care arată fluxurile de lucru (W) și căldură (Q).

Figura 4b. Reprezentare schematică a unei turbine cu gaz, arătând puncte din diagrama ciclului Brayton.

Aerul este comprimat din punctul 1 în punctul 2. În același timp, presiunea gazului crește, iar volumul gazului scade. Aerul este apoi încălzit la presiune constantă de la punctul 2 până la punctul 3. Această căldură este produsă de combustibilul introdus în camera de ardere și arderea sa continuă.

Aerul comprimat fierbinte de la punctul 3 începe să se extindă între punctele 3 și 4. Presiunea și temperatura în acest interval scad, iar volumul de gaz crește. În motorul din fig. 4b aceasta este reprezentată de fluxul de gaz de la punctul 3 prin turbină la punctul 4. Aceasta produce energie, care poate fi apoi utilizată. În fig. 1a, fluxul este direcționat de la punctul 3" la punctul 4 prin duza de ieșire și produce forță. "Lucrare utilă" din Fig. 4a este prezentată de curba 3'-4. Aceasta este energia capabilă să antreneze arborele de antrenare al unui turbina de la sol sau crearea de tracțiune pentru un motor de aeronavă.Ciclul Brighton este finalizat în Fig. 4 printr-un proces în care volumul și temperatura aerului scad pe măsură ce căldura este eliberată în atmosferă.

Figura 5. Sistem în buclă închisă.

Majoritatea turbinelor cu gaz funcționează în regim de ciclu deschis. Într-un ciclu deschis, aerul este preluat din atmosferă (punctul 1 din Fig. 4a și 4b) și eliberat înapoi în atmosferă la punctul 4, astfel gazul fierbinte este răcit în atmosferă după ce a fost eliberat din motor. Într-o turbină cu gaz care funcționează în ciclu închis, fluidul de lucru (lichid sau gaz) este utilizat în mod constant pentru a răci gazele de eșapament (la punctul 4) într-un schimbător de căldură (prezentat schematic în Fig. 5) și este trimis la admisia compresorului. . Deoarece folosește un volum închis cu o cantitate limitată de gaz, o turbină cu ciclu închis nu este un motor cu ardere internă. Într-un sistem cu ciclu închis, arderea nu poate fi susținută, iar camera de ardere convențională este înlocuită cu un schimbător de căldură secundar care încălzește aerul comprimat înainte de a intra în turbină. Căldura este furnizată de o sursă externă, cum ar fi un reactor nuclear, un cuptor cu cărbune cu pat fluidizat sau o altă sursă de căldură. S-a propus utilizarea turbinelor cu gaz cu ciclu închis în zborurile către Marte și în alte zboruri spațiale pe termen lung.

O turbină cu gaz care este proiectată și operată conform ciclului Bryson (Fig. 4) se numește turbină cu gaz cu ciclu simplu. Majoritatea turbinelor cu gaz aeronavelor funcționează pe un ciclu simplu, deoarece este necesar să se mențină greutatea și dimensiunea frontală a motorului cât mai mici posibil. Cu toate acestea, pentru aplicații onshore sau offshore, devine posibilă adăugarea de echipamente suplimentare la o turbină cu ciclu simplu pentru a crește eficiența și/sau puterea motorului. Sunt utilizate trei tipuri de modificări: regenerare, intercooling și dublă încălzire.

Regenerare prevede instalarea unui schimbător de căldură (recuperator) pe traseul gazelor de eșapament (punctul 4 din fig. 4b). Aerul comprimat de la punctul 2 din Fig. 4b este preîncălzit pe un schimbător de căldură de către gazele de evacuare înainte de a intra în camera de ardere (Fig. 6a).

Dacă regenerarea este bine implementată, adică eficiența schimbătorului de căldură este mare și căderea de presiune în acesta este mică, eficiența va fi mai mare decât în ​​cazul unui ciclu simplu de funcționare a turbinei. Cu toate acestea, ar trebui luat în considerare și costul regeneratorului. Regeneratoarele au fost folosite la motoarele cu turbină cu gaz din tancul M1 Abrams, principalul tanc de luptă al Operațiunii Desert Storm și în motoarele experimentale cu turbine cu gaz de automobile. Turbinele cu gaz cu regenerare îmbunătățesc eficiența cu 5-6% și sunt și mai eficiente atunci când funcționează la sarcină parțială.

Intercooling implică și utilizarea schimbătoarelor de căldură. Un intercooler (intercooler) răcește gazul pe măsură ce este comprimat. De exemplu, dacă compresorul este format din două module, de înaltă și de joasă presiune, între ele trebuie instalat un intercooler pentru a răci debitul de gaz și a reduce volumul de lucru necesar pentru compresia în compresorul de înaltă presiune (Fig. 6b). Agentul de răcire poate fi aerul atmosferic (așa-numitele răcitoare de aer) sau apă (de exemplu, apa de mare din turbina unei nave). Este ușor de demonstrat că puterea unei turbine cu gaz cu un intercooler bine proiectat crește.

Incalzire dubla utilizat în turbine și este o modalitate de a crește puterea de ieșire a turbinei fără a modifica funcționarea compresorului sau a crește Temperatura de Operare turbine. Dacă o turbină cu gaz are două module, presiune înaltă și presiune joasă, atunci se folosește un supraîncălzitor (de obicei o altă cameră de ardere) pentru a reîncălzi fluxul de gaz dintre turbinele de înaltă și joasă presiune (Fig. 6c). Acest lucru poate crește puterea de ieșire cu 1-3%. Încălzirea duală în turbinele aeronavelor se realizează prin adăugarea unei camere de post-ardere la duza turbinei. Acest lucru crește tracțiunea, dar crește semnificativ consumul de combustibil.

O centrală electrică cu turbină cu gaz cu ciclu combinat este adesea abreviată ca CGC. Ciclu combinat înseamnă o centrală electrică în care o turbină cu gaz și o turbină cu abur sunt utilizate împreună pentru a obține o eficiență mai mare decât atunci când sunt utilizate separat. Turbina cu gaz antrenează un generator electric. Gazele de evacuare din turbină sunt folosite pentru a produce abur într-un schimbător de căldură, acest abur antrenează turbina cu abur, care produce și energie electrică. Dacă pentru încălzire se folosește abur, instalația se numește centrală de cogenerare. În plus, în Rusia se folosește de obicei abrevierea TETs (centrală termică și electrică). Dar la centralele termice, de regulă, nu funcționează turbinele cu gaz, ci turbinele obișnuite cu abur. Iar aburul folosit este folosit pentru încălzire, astfel încât centralele de cogenerare și cogenerare nu sunt sinonime. În fig. 7 este o diagramă simplificată a unei centrale electrice de cogenerare, prezentând două motoare termice instalate în serie. Motorul de sus este o turbină cu gaz. Transferă energie către motorul inferior - turbină cu abur. Turbina cu abur transferă apoi căldura la condensator.

Figura 7. Diagrama centralei cu ciclu combinat.

Eficiența ciclului combinat \(\nu_(cc) \) poate fi reprezentată printr-o expresie destul de simplă: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) Cu alte cuvinte, aceasta este suma eficienței fiecărei etape minus munca lor. Această ecuație arată de ce cogenerarea este atât de eficientă. Presupunând \(\nu_B = 40%\), aceasta este o limită superioară rezonabilă pentru eficiența unei turbine cu gaz cu ciclu Brayton. O estimare rezonabilă a eficienței unei turbine cu abur care funcționează conform ciclului Rankine la a doua etapă de cogenerare este \(\nu_R = 30%\). Substituind aceste valori în ecuație obținem: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58\). Adică, eficiența unui astfel de sistem va fi de 58%.

Aceasta este estimarea superioară a eficienței unei centrale de cogenerare. Eficiența practică va fi mai mică din cauza pierderii inevitabile de energie între etape. Practic în sistemele de cogenerare a energiei puse în funcțiune în anul trecut, a fost atinsă o eficiență de 52-58%.

Componentele turbinei cu gaz

Funcționarea unei turbine cu gaz este cel mai bine împărțită prin împărțirea acesteia în trei subsisteme: compresorul, camera de ardere și turbina, așa cum se arată în Fig. 1. În continuare ne vom uita pe scurt la fiecare dintre aceste subsisteme.

Compresoare si turbine

Compresorul este conectat la turbină printr-un arbore comun, astfel încât turbina să poată roti compresorul. O turbină cu gaz cu un singur arbore are un singur arbore care conectează turbina și compresorul. O turbină cu gaz cu doi arbori (Fig. 6b și 6c) are doi arbori conici. Cel mai lung este conectat la compresorul de joasă presiune și turbina de joasă presiune. Se rotește în interiorul unui arbore tubular mai scurt care conectează compresorul de înaltă presiune la turbina de înaltă presiune. Arborele care conectează turbina și compresorul de înaltă presiune se rotește mai repede decât arborele turbinei și compresorul de joasă presiune. O turbină cu gaz cu trei arbori are un al treilea arbore care conectează turbina și compresorul de medie presiune.

Turbinele cu gaz pot fi centrifuge sau axiale sau de tip combinat. Compresorul centrifugal, în care aerul comprimat este evacuat în jurul perimetrului exterior al mașinii, este fiabil, costă de obicei mai puțin, dar este limitat la un raport de compresie de 6-7 la 1. Au fost utilizate pe scară largă în trecut și sunt încă folosite. astăzi în mici turbine cu gaz.

La compresoarele axiale mai eficiente și mai productive, aerul comprimat iese de-a lungul axei mecanismului. Acesta este cel mai comun tip de compresor de gaz (vezi Fig. 2 și 3). Compresoarele centrifuge constau dintr-un număr mare de secțiuni identice. Fiecare secțiune conține o roată rotativă cu palete de turbină și o roată cu palete staționare (statori). Secțiunile sunt dispuse astfel încât aerul comprimat să treacă secvenţial prin fiecare secțiune, eliberând o parte din energia sa fiecăreia dintre ele.

Turbinele au mai multe design simplu, în comparație cu un compresor, deoarece este mai dificil să comprimați un flux de gaz decât să provocați dilatarea inversă a acestuia. Turbinele axiale similare cu cele prezentate în Fig. 2 și 3 au mai puține secțiuni decât un compresor centrifugal. Există turbine cu gaz mici care folosesc turbine centrifuge (cu intrare radială de gaz), dar cele mai frecvente sunt turbinele axiale.

Proiectarea și fabricarea turbinei sunt complexe din cauza necesității de a prelungi durata de viață a componentelor din fluxul de gaz fierbinte. Problema cu fiabilitatea proiectării este cea mai critică în prima etapă a turbinei, unde temperaturile sunt cele mai ridicate. Materiale speciale și un sistem de răcire sofisticat sunt folosite pentru a asigura că paletele turbinei, care se topesc la o temperatură de 980-1040 grade Celsius, într-un flux de gaz a cărui temperatură ajunge la 1650 grade Celsius.

Camera de ardere

Un proiect de succes al camerei de ardere trebuie să satisfacă multe cerințe, iar realizarea corectă a fost o provocare încă de pe vremea turbinelor Whittle și von Ohain. Importanța relativă a cerințelor fiecărei camere de ardere depinde de aplicarea turbinei și, desigur, unele cerințe sunt în conflict între ele. Compromisurile sunt inevitabile la proiectarea unei camere de ardere. Majoritatea cerințelor de proiectare se referă la cost, eficiență și compatibilitatea cu mediul motorului. Iată o listă de cerințe de bază pentru camera de ardere:

1. Eficiență ridicată a arderii combustibilului în toate condițiile de funcționare.
2. Niveluri scăzute de combustibil nears și monoxid de carbon (monoxid de carbon), emisii scăzute de oxizi de azot la sarcini grele și nu există emisii vizibile de fum (minimizează poluarea mediului).
3. Cădere scăzută de presiune atunci când gazul trece prin camera de ardere. Pierderea de presiune de 3-4% este o cădere tipică de presiune.
4. Arderea trebuie să fie stabilă în toate modurile de funcționare.
5. Arderea trebuie să fie stabilă la foarte temperaturi scăzuteși presiune scăzută la altitudine mare (pentru motoare de avioane).
6. Arderea trebuie să fie lină, fără pulsații sau întreruperi.
7. Temperatura trebuie să fie stabilă.
8. Durată lungă de viață (mii de ore), în special pentru turbinele industriale.
9. Posibilitate de utilizare tipuri diferite combustibil. Turbinele terestre folosesc de obicei gaz natural sau motorină. Pentru turbine cu kerosen de aviație.
10. Lungimea și diametrul camerei de ardere trebuie să corespundă mărimii ansamblului motor.
11. Costul total de proprietate al camerei de ardere ar trebui să fie menținut la minimum (aceasta include costul inițial, costurile de operare și reparații).
12. Camera de ardere pentru motoarele de aeronave trebuie să aibă o greutate minimă.

Camera de ardere este formată din cel puțin trei părți principale: o carcasă, un tub de flacără și un sistem de injecție de combustibil. Carcasa trebuie să reziste la presiunea de funcționare și poate face parte din structura turbinei cu gaz. Carcasa acoperă un tub de flacără cu pereți relativ subțiri în care au loc arderea și sistemul de injecție a combustibilului.

În comparație cu alte tipuri de motoare, cum ar fi motoarele diesel și cu piston, turbinele cu gaz produc cea mai mică cantitate de poluanți ai aerului pe unitate de putere. Dintre emisiile de turbine cu gaz, cele mai mari preocupări sunt combustibilul nears, monoxidul de carbon (monoxid de carbon), oxizii de azot (NOx) și fumul. Deși turbinele aeronavelor contribuie cu mai puțin de 1% la emisiile totale de poluanți, emisiile produse direct în troposferă s-au dublat între 40 și 60 de grade latitudine nordică, determinând creșterea concentrațiilor de ozon cu 20%. În stratosferă, unde zboară aeronavele supersonice, emisiile de NOx provoacă distrugerea ozonului. Ambele efecte sunt dăunătoare mediu inconjurator, astfel încât reducerea oxizilor de azot (NOx) din emisiile motoarelor de aeronave este ceva ce trebuie să se întâmple în secolul XXI.

Acesta este un articol destul de scurt care încearcă să acopere toate aspectele aplicațiilor turbinelor, de la aviație la energie, și nu se bazează pe formule. Pentru a vă familiariza mai bine cu subiectul, vă pot recomanda cartea „Turbina cu gaz în transportul feroviar” http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html. Dacă omitem capitolele legate de specificul utilizării turbinelor pe calea ferata– cartea este încă foarte clară, dar mult mai detaliată.

O unitate tradițională de turbină cu gaz (GTU) modernă este o combinație între un compresor de aer, o cameră de ardere și o turbină cu gaz, precum și sisteme auxiliare care asigură funcționarea acesteia. Combinația dintre o unitate cu turbină cu gaz și un generator electric se numește unitate cu turbină cu gaz.

Este necesar să subliniem o diferență importantă între GTU și PTU. PTU-ul nu include un cazan, mai exact, centrala este considerată o sursă de căldură separată; cu această considerație, cazanul este o „cutie neagră”: apa de alimentare intră în el cu o temperatură de $t_(p.v)$, iar aburul iese cu parametrii $р_0$, $t_0$. O instalație de turbină cu abur nu poate funcționa fără un cazan ca obiect fizic. Într-o unitate cu turbină cu gaz, camera de ardere este elementul integral al acesteia. În acest sens, GTU-ul este autosuficient.

Instalațiile cu turbine cu gaz sunt extrem de diverse, poate chiar mai diverse decât instalațiile cu turbine cu abur. Mai jos vom analiza cele mai promițătoare și mai utilizate centrale cu turbine cu gaz cu ciclu simplu din sectorul energetic.

Diagramă schematică o astfel de unitate de turbină cu gaz este prezentată în figură. Aerul din atmosferă intră în admisia unui compresor de aer, care este o turbomașină rotativă cu o cale de curgere constând din grătare rotative și staționare. Raportul de presiune în aval de compresor p b la presiunea din fata lui p a se numește raportul de compresie al unui compresor de aer și este de obicei notat cu pk (pk = p b/p a). Rotorul compresorului este antrenat de o turbină cu gaz. Un curent de aer comprimat este furnizat la una, două sau mai multe camere de ardere. În cele mai multe cazuri, fluxul de aer care vine de la compresor este împărțit în două fluxuri. Primul flux este direcționat către dispozitivele arzătorului, unde este alimentat și combustibil (gaz sau combustibil lichid). Când combustibilul este ars, se formează produse de ardere a combustibilului la temperatură înaltă. Aerul relativ rece din al doilea flux este amestecat cu ele pentru a obține gaze (numite de obicei gaze de lucru) cu o temperatură acceptabilă pentru piesele turbinei cu gaz.

Gaze de lucru cu presiune r s (r s < p b datorită rezistenței hidraulice a camerei de ardere) sunt introduse în partea de curgere a unei turbine cu gaz, al cărei principiu de funcționare nu este diferit de principiul de funcționare al unei turbine cu abur (singura diferență este că turbina cu gaz funcționează pe produse de ardere a combustibilului, și nu pe abur). Într-o turbină cu gaz, gazele de lucru se extind până la presiunea aproape atmosferică p d, introduceți difuzorul de ieșire 14 și din acesta - fie direct în șemineu, sau anterior într-un schimbător de căldură care utilizează căldura gazelor de eșapament ale instalației cu turbine cu gaz.

Datorită expansiunii gazelor într-o turbină cu gaz, aceasta din urmă produce energie. O parte foarte semnificativă (aproximativ jumătate) este cheltuită pentru acționarea compresorului, iar partea rămasă pentru acționarea generatorului electric. Aceasta este puterea utilă a turbinei cu gaz, care este indicată atunci când este etichetată.

Pentru a descrie circuitele turbinelor cu gaz, utilizați simboluri, similare cu cele folosite pentru școlile profesionale.

O turbină cu gaz nu poate fi mai simplă, deoarece conține un minim de componente necesare care asigură procese secvențiale de compresie, încălzire și dilatare a fluidului de lucru: un compresor, una sau mai multe camere de ardere care funcționează în aceleași condiții și o turbină cu gaz. Alături de instalațiile cu turbine cu gaz cu ciclu simplu, există centrale cu turbine cu gaz cu ciclu complex, care pot conține mai multe compresoare, turbine și camere de ardere. În special, turbinele cu gaz de acest tip includ GT-100-750, construit în URSS în anii '70.

Este realizat din doi arbori. Compresorul de înaltă presiune este situat pe un arbore KVDși turbina de înaltă presiune care o conduce teatru de operații; acest arbore are o viteză de rotație variabilă. Turbina de joasă presiune este situată pe al doilea arbore TND, antrenând compresorul de joasă presiune KND si generator electric DE EXEMPLU; prin urmare acest arbore are o viteză constantă de rotație de 50 s -1. Aerul în cantitate de 447 kg/s vine din atmosferă în KNDși este comprimat în el la o presiune de aproximativ 430 kPa (4,3 at) și apoi introdus în răcitorul de aer ÎN, unde se răcește cu apă de la 176 la 35 °C. Acest lucru reduce munca necesară comprimarii aerului într-un compresor de înaltă presiune KVD(raportul de compresie p k = 6,3). Din el, aerul intră în camera de ardere de înaltă presiune KSWD iar produsele de ardere cu o temperatură de 750 °C sunt trimise către teatru de operații. Din teatru de operații gazele care conțin cantități semnificative de oxigen intră în camera de ardere de joasă presiune KSND, în care se arde combustibil suplimentar și din acesta în TND. Gazele de evacuare la o temperatură de 390 °C ies fie în coș, fie într-un schimbător de căldură pentru a utiliza căldura gazelor de ardere.

Turbinele cu gaz nu sunt foarte economice din cauza temperaturii ridicate a gazelor de evacuare. Creșterea complexității schemei face posibilă creșterea eficienței acesteia, dar în același timp necesită investiții de capital sporite și complică funcționarea.

Figura prezintă dispozitivul unității de turbină cu gaz Siemens V94.3. Aerul atmosferic de la un dispozitiv integrat de purificare a aerului (ACP) intră în mină 4 , și de la ea - la partea de flux 16 compresor de aer. Compresorul comprimă aerul. Raportul de compresie în compresoarele tipice este pc = 13-17, și astfel presiunea în unitatea turbinei cu gaz nu depășește 1,3-1,7 MPa (13-17 at). Aceasta este o altă diferență serioasă între o turbină cu gaz și o turbină cu abur, în care presiunea aburului este de 10-15 ori mai mare decât presiunea gazului din turbina cu gaz. Presiune scăzută mediu de lucru determină grosimea mică a pereților carcaselor și ușurința de încălzire a acestora. Acesta este ceea ce face ca turbina cu gaz să fie foarte manevrabilă, adică. capabil de porniri și opriri rapide. Dacă durează de la 1 oră la câteva ore pentru a porni o turbină cu abur, în funcție de starea sa de temperatură inițială, atunci o unitate de turbină cu gaz poate fi pusă în funcțiune în 10-15 minute.

Când este comprimat într-un compresor, aerul se încălzește. Această încălzire poate fi estimată folosind o relație aproximativă simplă:

$$T_a/T_b = \pi_к^(0,25)$$

in care T bȘi T a- temperaturi absolute ale aerului în spatele și în fața compresorului. Dacă, de exemplu, T a= 300 K, adică temperatura aerului ambiant este de 27 °C, iar p k = 16, atunci T b= 600 K și, prin urmare, aerul este încălzit de

$$\Delta t = (600-273)-(300-273) = 300°C.$$

Astfel, în spatele compresorului temperatura aerului este de 300-350 °C. Aerul dintre pereții conductei de flacără și corpul camerei de ardere se deplasează către dispozitivul arzător, căruia i se alimentează gazul combustibil. Deoarece combustibilul trebuie să intre în camera de ardere, unde presiunea este de 1,3-1,7 MPa, presiunea gazului trebuie să fie ridicată. Pentru a-și putea regla debitul în camera de ardere, presiunea gazului este necesară aproximativ de două ori mai mare decât presiunea din cameră. Dacă există o astfel de presiune în conducta de alimentare cu gaz, atunci gazul este furnizat în camera de ardere direct de la punctul de distribuție a gazului (GDP). Dacă presiunea gazului este insuficientă, atunci este instalat un compresor de gaz de rapel între unitatea de fracturare hidraulică și cameră.

Consumul de gaz combustibil reprezintă doar aproximativ 1-1,5% din consumul de aer provenit de la compresor, astfel încât crearea unui compresor de rapel de gaz extrem de economic prezintă anumite dificultăți tehnice.

În interiorul conductei de flacără 10 se formează produse de ardere la temperatură înaltă. După amestecarea aerului secundar la ieșirea din camera de ardere, acesta scade oarecum, dar ajunge totuși la 1350-1400 °C în turbinele cu gaz moderne tipice.

Din camera de ardere, gazele fierbinți intră în partea de curgere 7 turbina de gaz. În ea, gazele se extind până la presiunea aproape atmosferică, deoarece spațiul din spatele turbinei cu gaz comunică fie cu un coș de fum, fie cu un schimbător de căldură, a cărui rezistență hidraulică este scăzută.

Când gazele se extind într-o turbină cu gaz, puterea este creată pe arborele acesteia. Această putere este parțial consumată pentru a antrena compresorul de aer, iar excesul său este folosit pentru a antrena rotorul 1 generator electric. Unul dintre trasaturi caracteristice Sistemul cu turbine cu gaz constă în faptul că compresorul necesită aproximativ jumătate din puterea dezvoltată de turbina cu gaz. De exemplu, într-o unitate de turbină cu gaz cu o capacitate de 180 MW care este creată în Rusia (aceasta este puterea utilă), puterea compresorului este de 196 MW. Acesta este unul dintre diferențe fundamentale GTU de la PTU: în cel din urmă, puterea utilizată pentru comprimarea apei de alimentare chiar și la o presiune de 23,5 MPa (240 atm) este doar câteva procente din puterea turbinei cu abur. Acest lucru se datorează faptului că apa este un lichid slab compresibil, iar aerul necesită multă energie pentru a se comprima.

Într-o primă aproximare, destul de aproximativă, temperatura gazelor din spatele turbinei poate fi estimată folosind o relație simplă similară cu:

$$T_c/T_d = \pi_к^(0,25).$$

Prin urmare, dacă $\pi_к = 16$, iar temperatura din fața turbinei T s= 1400 °C = 1673 K, atunci temperatura din spatele acestuia este de aproximativ K:

$$T_d=T_c/\pi_к^(0,25) = 1673/16^(0,25) = 836.$$

Astfel, temperatura gazelor din spatele turbinei cu gaz este destul de ridicată, iar o cantitate semnificativă de căldură obținută din arderea combustibilului intră literalmente în coș. Prin urmare, atunci când o turbină cu gaz funcționează autonom, eficiența acesteia este scăzută: pentru turbinele cu gaz tipice este de 35-36%, adică. semnificativ mai mică decât eficiența PTU-ului. Problema, însă, se schimbă radical atunci când un schimbător de căldură (încălzitor de rețea sau cazan de căldură reziduală pentru un ciclu combinat) este instalat pe „coada” unității turbinei cu gaz.

În spatele turbinei cu gaz este instalat un difuzor - un canal care se extinde ușor, în timpul căruia presiunea de mare viteză a gazelor este parțial convertită în presiune. Acest lucru face posibilă existența unei presiuni în spatele turbinei cu gaz care este mai mică decât cea atmosferică, ceea ce crește eficiența a 1 kg de gaze în turbină și, prin urmare, crește puterea acesteia.

Dispozitiv compresor de aer. După cum sa indicat deja, un compresor de aer este o turbomașină la arborele căreia este furnizată puterea de la o turbină cu gaz; această putere este transferată aerului care curge prin traiectoria compresorului, drept urmare presiunea aerului crește până la presiunea din camera de ardere.

Figura prezintă un rotor de turbină cu gaz amplasat în lagăre de susținere; Elementele rotorului și statorului compresorului sunt clar vizibile în prim plan.

Din mină 4 aerul pătrunde în canalele formate de lamele rotative 2 paletă de ghidare de intrare nerotativă (VNA). sarcina principală VNA - conferă mișcare de rotație unui flux care se mișcă în direcția axială (sau radial-axială). Canalele VNA nu sunt fundamental diferite de canalele duzei unei turbine cu abur: sunt confuze (conice), iar fluxul din ele accelerează, dobândind simultan o componentă de viteză circumferențială.

În turbinele cu gaz moderne, paleta de ghidare de intrare este rotativă. Necesitatea unui VNA rotativ este cauzată de dorința de a preveni o scădere a eficienței atunci când sarcina pe instalația de turbine cu gaz scade. Ideea este că arborii compresorului și generatorului electric au aceeași frecvență de rotație, egală cu frecvența rețelei. Prin urmare, dacă nu utilizați VNA, atunci cantitatea de aer furnizată de compresor în camera de ardere este constantă și nu depinde de sarcina turbinei. Iar puterea unei turbine cu gaz poate fi schimbată doar prin schimbarea debitului de combustibil în camera de ardere. Prin urmare, cu o scădere a consumului de combustibil și o cantitate constantă de aer furnizată de compresor, temperatura gazelor de lucru scade atât în ​​fața turbinei cu gaz, cât și în spatele acesteia. Acest lucru duce la o scădere foarte semnificativă a eficienței unității turbinei cu gaz. Rotirea lamelor când sarcina în jurul axei este redusă 1 cu 25 - 30° vă permite să îngustați secțiunile de curgere ale canalelor VNA și să reduceți debitul de aer în camera de ardere, menținând un raport constant între debitul de aer și combustibil. Instalarea unei palete de ghidare de admisie face posibilă menținerea constantă a temperaturii gazelor în fața și în spatele turbinei cu gaz în domeniul de putere de aproximativ 100-80%.

Figura arată motorul lamelor VNA. O pârghie rotativă este atașată de axele fiecărei lame 2 care prin pârghie 4 conectat la inelul de rotire 1 . Dacă este necesar să schimbați debitul de aer, inelul 1 se rotește folosind tije și un motor electric cu o cutie de viteze; în acest caz toate pârghiile se rotesc simultan 2 și în consecință lamele VNA 5 .

Aerul învolburat cu ajutorul unui VHA intră în prima treaptă a compresorului de aer, care constă din două grătare: rotativă și staționară. Ambele grile, spre deosebire de grilele turbinei, au canale de extindere (difuzor), adică. zona de trecere a aerului la admisie F 1 mai putin decat F 2 la ieșire.

Când aerul se deplasează într-un astfel de canal, viteza acestuia scade ( w 2 < w 1), iar presiunea crește ( R 2 > R 1). Din păcate, realizarea unei grile difuzorului economică, de exemplu. astfel încât debitul w 1 ar fi convertit în măsura maximă în presiune, și nu în căldură, posibil doar cu un grad mic de compresie R 2 /R 1 (de obicei 1,2 - 1,3), ceea ce duce la un număr mare de trepte de compresor (14 - 16 cu un raport de compresie p k = 13 - 16).

Figura arată debitul de aer în treapta compresorului. Aerul iese din aparatul cu duză rotativă de admisie (fixă) cu o viteză c 1 (vezi triunghiul superior al vitezelor), având răsucirea circumferențială necesară (a 1< 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость u 1, apoi viteza relativă de intrare în el w 1 va fi egal cu diferența vectorială c 1 și u 1, iar această diferență va fi mai mare decât c 1 adică w 1 > c 1 . Când vă deplasați în canal, viteza aerului scade la valoarea w 2, iar acesta iese sub un unghi b2, determinat de inclinarea profilelor. Cu toate acestea, datorită rotației și furnizării de energie a aerului de la paletele rotorului, viteza acestuia Cu 2 în mișcare absolută va fi mai mare decât c 1 . Lamele grilei fixe sunt instalate astfel încât intrarea aerului în canal să fie fără șocuri. Deoarece canalele acestei rețele se extind, viteza în ea scade la valoare c„1, iar presiunea crește de la R 1 la R 2. Grila este concepută astfel încât c" 1 = c 1, a a " 1 = a 1. Prin urmare, în a doua etapă și etapele ulterioare, procesul de comprimare se va desfășura într-un mod similar. În același timp, înălțimea grătarelor acestora va scădea în funcție de densitatea crescută a aerului datorită comprimare.

Uneori paletele de ghidare ale primelor trepte ale compresorului sunt rotative în același mod ca paletele VNA. Acest lucru face posibilă extinderea domeniului de putere a unității turbinei cu gaz, la care temperatura gazelor din fața și din spatele turbinei cu gaz rămâne neschimbată. În consecință, eficiența crește. Utilizarea mai multor palete rotative de ghidare vă permite să lucrați economic în intervalul 100 - 50% putere.

Ultima treaptă a compresorului este proiectată în același mod ca și precedentele, singura diferență fiind că sarcina ultimei palete de ghidare este 1 este nu numai de a crește presiunea, ci și de a asigura o ieșire axială a fluxului de aer. Aerul intră în difuzorul de ieșire inelar 23 , unde presiunea crește la valoarea sa maximă. Cu această presiune, aerul intră în zona de ardere 9 .

Aerul este preluat din carcasa compresorului de aer pentru a răci elementele turbinei cu gaz. În acest scop, în corpul său sunt realizate camere inelare, comunicând cu spațiul din spatele treptei corespunzătoare. Aerul este eliminat din camere folosind conducte.

În plus, compresorul are așa-numitele supape anti-supratensiuni și conducte de bypass 6 , ocolind aerul din treptele intermediare ale compresorului în difuzorul de ieșire al turbinei cu gaz atunci când pornește și se oprește. Acest lucru elimină funcționarea instabilă a compresorului la debite scăzute de aer (acest fenomen se numește explozie), care se exprimă prin vibrații intense ale întregii mașini.

Crearea de compresoare de aer foarte eficiente este o sarcină extrem de complexă, care, spre deosebire de turbine, nu poate fi rezolvată doar prin calcul și proiectare. Deoarece puterea compresorului este aproximativ egală cu puterea turbinei cu gaz, o deteriorare a eficienței compresorului cu 1% duce la o scădere a eficienței întregii turbine cu gaz cu 2-2,5%. Prin urmare, crearea unui compresor bun este una dintre problemele cheie în crearea unei unități de turbină cu gaz. De obicei, compresoarele sunt create prin simulare (scalare), folosind un model de compresor creat printr-o dezvoltare experimentală îndelungată.

Camerele de ardere ale instalațiilor cu turbine cu gaz sunt foarte diverse. Mai sus este prezentată o turbină cu gaz cu două camere la distanță. Figura prezintă o unitate de turbină cu gaz de tip 13E de 140 MW de la ABB cu o cameră de ardere la distanță, al cărei design este similar cu cel al camerei prezentate în figură. Aerul de la compresor de la difuzorul inel intră în spațiul dintre corpul camerei și tubul de flacără și este apoi folosit pentru arderea gazului și pentru răcirea tubului de flacără.

Principalul dezavantaj al camerelor de ardere la distanță este dimensiunile lor mari, care sunt clar vizibile din figură. O turbină cu gaz este situată în dreapta camerei, iar un compresor este situat în stânga. În partea de sus a carcasei puteți vedea trei găuri pentru plasarea supapelor anti-supratensiuni și apoi unitatea VNA. Instalațiile moderne cu turbine cu gaz utilizează în principal camere de ardere încorporate: inelar și tubular.

Figura prezintă o cameră de ardere inelară integrată. Spațiul de ardere inelar este format din interior 17 și în aer liber 11 conducte de flacara. Interiorul țevilor este căptușit cu inserții speciale 13 Și 16 având un înveliș de barieră termică pe partea îndreptată către flacără; pe partea opusă, inserțiile au aripioare care își îmbunătățesc răcirea prin intrarea aerului prin golurile inelare dintre inserțiile din interiorul tubului de flacără. Astfel, în zona de ardere se realizează o temperatură a tubului de flacără de 750-800 °C. Dispozitivul de arzător cu micro-arzător frontal al camerei este format din câteva sute de arzătoare 10 , la care se alimentează gazul de la patru colectoare 5 -8 . Prin oprirea colectoarelor unul câte unul, puteți schimba puterea unității turbinei cu gaz.

Structura arzătorului este prezentată în figură. Gazul intră din colector prin găurire în tijă 3 la cavitatea interioară a lamelor 6 învârtitor. Acesta din urmă este o lame drepte radiale goale care forțează aerul care vine din camera de ardere să se răsucească și să se rotească în jurul axei tijei. Gazul natural intră în acest vârtej de aer rotativ din cavitatea internă a paletelor turbionare 6 prin găuri mici 7 . În acest caz, se formează un amestec omogen combustibil-aer, care iese sub forma unui jet învolburat din zonă. 5 . Un vortex rotativ inelar asigură arderea stabilă a gazului.

Figura prezintă camera de ardere cu inel tubular a GTE-180. În spațiul inelar 24 între ieșirea compresorului de aer și intrarea turbinei cu gaz folosind conuri perforate 3 puneți 12 tuburi de flacără 10 . Tubul de flacără conține numeroase orificii cu diametrul de 1 mm, situate în rânduri inelare cu o distanță de 6 mm între ele; distanța dintre rândurile de găuri este de 23 mm. Aerul „rece” pătrunde din exterior prin aceste orificii, oferind răcirea filmului convectiv și o temperatură a tubului de flacără nu mai mare de 850 °C. Pe suprafata interioaraȚeava de flacără este acoperită cu un strat de barieră termică de 0,4 mm grosime.

Pe placa frontală 8 tub de flacără, se instalează un dispozitiv de arzător, format dintr-un arzător pilot central 6 aprinderea combustibilului la pornire folosind o bujie 5 , și cinci module principale, dintre care unul este prezentat în figură. Modulul vă permite să ardeți gaz și combustibil diesel. Gaz prin fiting 1 dupa filtru 6 intră în colectorul inelar de gaz combustibil 5 , și din acesta în cavități care conțin găuri mici (diametru 0,7 mm, pas 8 mm). Prin aceste găuri, gazul pătrunde în spațiul inelar. În pereții modulului sunt realizate șase șanțuri tangenţiale 9 , prin care intră cantitatea principală de aer furnizată pentru ardere de la compresorul de aer. În şanţurile tangenţiale, aerul se învârte şi, astfel, în interiorul cavităţii 8 se formează un vârtej rotativ, care se deplasează spre ieșirea dispozitivului arzător. Până la periferia vortexului prin găuri 3 gazul intră, se amestecă cu aerul, iar amestecul omogen rezultat iese din arzător, unde se aprinde și arde. Produsele de ardere intră în aparatul duzei din prima etapă a turbinei cu gaz.

Turbina cu gaz este cel mai complex element al unei unități de turbină cu gaz, care se datorează în primul rând foarte temperatura ridicata gaze de lucru care curg prin partea sa de curgere: temperatura gazului din fața turbinei de 1350 °C este în prezent considerată „standard”, iar companiile de top, în primul rând General Electric, lucrează pentru a stăpâni temperatura inițială de 1500 °C. Să ne amintim că temperatura inițială „standard” pentru turbinele cu abur este de 540 °C, iar în viitor - o temperatură de 600-620 °C.

Dorința de a crește temperatura inițială este asociată, în primul rând, cu câștigul de eficiență pe care îl dă. Acest lucru se vede clar din figura care rezumă nivelul atins de construcție a turbinei cu gaz: creșterea temperaturii inițiale de la 1100 la 1450 °C are ca rezultat o creștere a eficienței absolute de la 32 la 40%, adică. duce la economii de combustibil de 25%. Desigur, o parte din această economisire este asociată nu numai cu creșterea temperaturii, ci și cu îmbunătățirea altor elemente ale instalației cu turbine cu gaz, iar factorul determinant este încă temperatura inițială.

Pentru a asigura funcționarea pe termen lung a unei turbine cu gaz, se utilizează o combinație de două mijloace. Primul remediu este utilizarea materialelor rezistente la căldură pentru piesele cele mai încărcate care pot rezista la sarcini mecanice și temperaturi ridicate (în primul rând pentru duze și lame de lucru). Dacă oțelurile (adică aliaje pe bază de fier) ​​cu un conținut de crom de 12-13% sunt utilizate pentru paletele turbinei cu abur și alte elemente, atunci aliajele pe bază de nichel (nimonice) sunt utilizate pentru paletele turbinei cu gaz, care sunt capabile să suporte sarcini mecanice reale.și durata de viață necesară pentru a rezista la temperaturi de 800-850 °C. Prin urmare, împreună cu primul, se utilizează un al doilea mijloc - răcirea celor mai fierbinți părți.

Pentru a răci majoritatea turbinelor cu gaz moderne, aerul este preluat din diferite etape ale compresorului de aer. Turbinele cu gaz funcționează deja în care vaporii de apă sunt folosiți pentru răcire, care este un agent de răcire mai bun decât aerul. Aerul de răcire, după încălzirea în partea răcită, este evacuat în calea de curgere a turbinei cu gaz. Acest sistem de răcire se numește deschis. Există sisteme de răcire închise în care lichidul de răcire încălzit în piesă este trimis la frigider și apoi returnat din nou pentru a răci piesa. Un astfel de sistem nu este doar foarte complex, dar necesită și recuperarea căldurii colectate în frigider.

Sistemul de răcire al unei turbine cu gaz este cel mai complex sistem dintr-o instalație cu turbine cu gaz, ceea ce determină durata de viață a acesteia. Asigură nu numai întreținerea nivel admisibil lame de lucru și duze, dar și elemente de carcasă, discuri care poartă lamele de lucru, garnituri de blocare a rulmentului în care circulă uleiul etc. Acest sistem este extrem de ramificat si este organizat astfel incat fiecare element racit sa primeasca aer de racire a parametrilor si in cantitatea necesara pentru a-si mentine temperatura optima. Răcirea excesivă a pieselor este la fel de dăunătoare ca și răcirea insuficientă, deoarece duce la costuri crescute ale aerului de răcire, a cărui compresie în compresor necesită puterea turbinei. În plus, debitul de aer crescut pentru răcire duce la o scădere a temperaturii gazelor din spatele turbinei, ceea ce afectează foarte semnificativ funcționarea echipamentelor instalate în spatele unității cu turbine cu gaz (de exemplu, o unitate cu turbină cu abur care funcționează ca parte a unei turbine cu abur). unitate turbină). În cele din urmă, sistemul de răcire trebuie să asigure nu numai nivelul cerut temperaturile pieselor, dar si uniformitatea incalzirii acestora, eliminand aparitia unor solicitari de temperatura periculoase, a caror actiune ciclica duce la aparitia fisurilor.

Figura prezintă un exemplu de circuit de răcire al unei turbine cu gaz tipice. Valorile temperaturilor gazului sunt afișate în cadre dreptunghiulare. În fața aparatului de duză din prima etapă 1 ajunge la 1350 °C. În spatele lui, adică. în fața grilei de lucru din prima etapă este 1130 °C. Chiar înainte de lama de lucru din ultima etapă este la nivelul de 600 °C. Gazele la această temperatură spală duza și lamele de lucru, iar dacă nu ar fi răcite, temperatura lor ar fi egală cu temperatura gazelor și durata lor de viață ar fi limitată la câteva ore.

Pentru a răci elementele unei turbine cu gaz, se folosește aer, preluat de la compresor în acea etapă în care presiunea acestuia este puțin mai mare decât presiunea gazelor de lucru din zona turbinei cu gaz în care este alimentat aer. De exemplu, pentru a răci paletele duzei din prima etapă, aerul de răcire în cantitate de 4,5% din debitul de aer la intrarea compresorului este preluat din difuzorul de ieșire a compresorului și pentru a răci palele duzei din ultima etapă și cele adiacente. secțiunea carcasei - din a 5-a treaptă a compresorului. Uneori, pentru a răci cele mai fierbinți elemente ale unei turbine cu gaz, aerul preluat din difuzorul de ieșire a compresorului este mai întâi trimis la un răcitor de aer, unde este răcit (de obicei cu apă) la 180-200 ° C și apoi trimis pentru răcire. În acest caz, este necesar mai puțin aer pentru răcire, dar în același timp apar costuri pentru răcitorul de aer, turbina cu gaz devine mai complicată și o parte din căldura îndepărtată de apa de răcire se pierde.

O turbină cu gaz are de obicei 3-4 trepte, adică. Există 6-8 rânduri de grătare și cel mai adesea lamele tuturor rândurilor sunt răcite, cu excepția lamelor de lucru din ultima etapă. Aerul pentru răcirea lamelor duzei este introdus prin capetele acestora și evacuat prin numeroase (600-700 de găuri cu diametrul de 0,5-0,6 mm) amplasate în zonele corespunzătoare ale profilului. Aerul de răcire este furnizat palelor rotorului prin găurile făcute în capetele tijelor.

Pentru a înțelege modul în care sunt proiectate lamele răcite, este necesar să se ia în considerare cel puțin în general tehnologia de fabricare a acestora. Datorită dificultății excepționale prelucrare Pentru producția de aliaje de nichel, turnarea cu investiții de precizie este utilizată în principal pentru a produce lame. Pentru a-l implementa, în primul rând, tijele de turnare sunt fabricate din materiale pe bază de ceramică, folosind o tehnologie specială de turnare și tratament termic. Miezul de turnare este o copie exactă a cavității din interiorul viitoarei lame, în care aerul de răcire va curge și curge în direcția necesară. Miezul de turnare este plasat într-o matriță, a cărei cavitate internă corespunde complet lamei care trebuie obținută. Spațiul liber rezultat dintre tijă și peretele matriței este umplut cu o masă încălzită cu punct de topire scăzut (de exemplu, plastic), care se întărește. Tija, împreună cu masa de solidificare care o învăluie, repetând forma exterioară a lamei, este un model de ceară pierdută. Se pune într-o matriță de turnare, în care se alimentează topitura nimonică. Acesta din urmă topește plasticul, îi ia locul și ca urmare apare o lamă turnată cu o cavitate internă umplută cu o tijă. Tija este îndepărtată prin gravare cu soluții chimice speciale. Lamele duzei rezultate nu necesită practic nicio prelucrare mecanică suplimentară (cu excepția producerii a numeroase găuri pentru ieșirea aerului de răcire). Lamele de lucru turnate necesită prelucrarea tijei folosind o unealtă abrazivă specială.

Tehnologia descrisă pe scurt este împrumutată din tehnologia aviației, unde temperaturile realizate sunt mult mai ridicate decât la turbinele cu abur staționare. Dificultatea de a stăpâni aceste tehnologii este asociată cu dimensiunile mult mai mari ale palelor pentru instalațiile staționare cu turbine cu gaz, care cresc proporțional cu debitul de gaz, adică. putere GTU.

Utilizarea așa-numitelor lame monocristaline, care sunt realizate dintr-un singur cristal, pare foarte promițătoare. Acest lucru se datorează faptului că prezența granițelor în timpul expunerii prelungite la temperaturi ridicate duce la o deteriorare a proprietăților metalului.

Rotorul turbinei cu gaz este o structură prefabricată unică. Înainte de asamblare, discuri individuale 5 compresor și disc 7 turbinele cu gaz sunt cu pale și echilibrate, părțile de capăt sunt fabricate 1 Și 8 , parte distanțier 11 și șurub central de legătură 6 . Fiecare dintre discuri are două gulere inelare pe care sunt realizate hirths (numite după inventator - Hirth), - dinți strict radiali de profil triunghiular. Piesele adiacente au exact aceleași gulere cu exact aceleași mânere. La calitate bună Fabricarea conexiunii Hirth asigură alinierea absolută a discurilor adiacente (aceasta asigură raza Hirth-urilor) și asamblarea repetabilă după dezasamblarea rotorului.

Rotorul este asamblat pe un suport special, care este un lift cu o platformă inelară pentru personalul de instalare, în interiorul căruia se realizează asamblarea. În primul rând, partea de capăt a rotorului este asamblată pe filet 1 și tirant 6 . Tija este așezată vertical în interiorul platformei inelare și discul primei trepte a compresorului este coborât pe acesta cu ajutorul unei macarale. Centrarea discului și a părții de capăt se realizează prin hirths. Deplasându-se în sus pe un lift special, personalul de instalare disc cu disc [întâi compresorul, apoi piesa distanțier, apoi turbina și partea de capăt din dreapta 8 ] asamblează întregul rotor. O piuliță este înșurubată la capătul drept 9 , iar pe partea rămasă a părții filetate a tirantului este instalat un dispozitiv hidraulic, strângând discurile și trăgând tirantul. După ce a scos tija, piulița 9 înșurubat până se oprește și dispozitivul hidraulic este scos. Tija întinsă trage în mod fiabil discurile împreună și transformă rotorul într-o singură structură rigidă. Rotorul asamblat este scos de pe suportul de asamblare și este gata de instalare în unitatea de turbină cu gaz.

Principalul avantaj al turbinei cu gaz este compactitatea sa. Într-adevăr, în primul rând, instalația de turbine cu gaz nu are boiler cu abur, structură care atinge o înălțime mare și necesită o cameră separată pentru instalare. Această împrejurare este legată în primul rând de presiune ridicataîn camera de ardere (1,2-2 MPa); în cazan arderea are loc la presiunea atmosferică și, în consecință, volumul gazelor fierbinți format este de 12-20 de ori mai mare. Mai mult, într-o unitate cu turbină cu gaz, procesul de expansiune a gazului are loc într-o turbină cu gaz formată din doar 3-5 trepte, în timp ce o turbină cu abur cu aceeași putere este formată din 3-4 cilindri care conțin 25-30 de trepte. Chiar și luând în considerare atât camera de ardere, cât și compresorul de aer, o unitate de turbină cu gaz cu o putere de 150 MW are o lungime de 8-12 m, iar lungimea unei turbine cu abur de aceeași putere cu un design cu trei cilindri este de 1,5 ori mai lung. În același timp, pentru o turbină cu abur, pe lângă boiler, este necesar să se prevadă instalarea unui condensator cu pompe de circulație și condens, un sistem de regenerare de 7-9 încălzitoare, turbopompe de alimentare (de la unu la trei) , și un dezaerator. Ca urmare, unitatea cu turbină cu gaz poate fi instalată pe o bază de beton la nivelul zero al camerei turbinei, iar unitatea cu turbină cu abur necesită o fundație cadru cu o înălțime de 9-16 m cu amplasarea turbinei cu abur pe Placa de fundație superioară și echipamente auxiliare în camera de condensare.

Compactitatea turbinei cu gaz permite ca aceasta să fie asamblată la o instalație de turbine și livrată în camera turbinei pe calea ferată sau rutieră pentru instalare pe o fundație simplă. Astfel, în special, sunt transportate turbine cu gaz cu camere de ardere încorporate. La transportul turbinelor cu gaz cu camere la distanță, acestea din urmă sunt transportate separat, dar sunt conectate ușor și rapid la modulul compresor - turbină cu gaz folosind flanșe. O turbină cu abur este furnizată cu numeroase unități și piese; instalarea atât a acesteia, cât și a numeroaselor echipamente auxiliare și conexiunile între ele durează de câteva ori mai mult decât o unitate cu turbină cu gaz.

Unitatea de turbină cu gaz nu necesită apă de răcire. Ca urmare, unitatea cu turbină cu gaz nu are un condensator și un sistem tehnic de alimentare cu apă cu o unitate de pompare și un turn de răcire (dacă alimentarea cu apă de reciclare). Drept urmare, toate acestea duc la faptul că costul de 1 kW de capacitate instalată a unei centrale electrice cu turbină cu gaz este semnificativ mai mic. În același timp, costul unității turbinei cu gaz în sine (compresor + cameră de ardere + turbină cu gaz), datorită complexității sale, se dovedește a fi de 3-4 ori mai mare decât costul unei turbine cu abur de aceeași putere.

Un avantaj important al unei turbine cu gaz este manevrabilitatea sa ridicată, determinată de un nivel scăzut de presiune (comparativ cu presiunea dintr-o turbină cu abur) și, prin urmare, încălzirea și răcirea ușoară fără apariția unor tensiuni și deformații periculoase de temperatură.

Cu toate acestea, instalațiile cu turbine cu gaz au și dezavantaje semnificative, dintre care, în primul rând, este necesar să se remarce eficiența lor mai mică decât cea a unei centrale electrice cu abur. Eficiența medie a unităților de turbine cu gaz destul de bune este de 37-38%, iar cea a unităților de putere cu turbine cu abur este de 42-43%. Plafonul pentru turbinele cu gaz puternice, așa cum se vede în prezent, este o eficiență de 41-42% (și poate mai mare, ținând cont de rezervele mari pentru creșterea temperaturii inițiale). Eficiența mai scăzută a turbinelor cu gaz este asociată cu temperatura ridicată a gazelor de eșapament.

Un alt dezavantaj al centralelor cu turbine cu gaz este imposibilitatea de a folosi combustibili de calitate scăzută în ele, cel puțin în prezent. Poate funcționa bine doar cu gaz sau combustibil lichid bun, cum ar fi motorina. Unitățile de alimentare cu abur pot funcționa cu orice combustibil, inclusiv cu cea mai scăzută calitate.

Costul inițial scăzut al centralelor termice cu turbine cu gaz și, în același timp, eficiența relativ scăzută și costul ridicat al combustibilului utilizat și manevrabilitatea determină domeniul principal de utilizare individuală a turbinelor cu gaz: în sistemele de energie, acestea ar trebui să fie utilizate ca surse de putere de vârf sau de rezervă care funcționează câteva ore pe zi.

În același timp, situația se schimbă radical atunci când căldura din gazele de eșapament ale instalațiilor cu turbine cu gaz este utilizată în centrale termice sau într-un ciclu combinat (abur-gaz).

O turbină termică continuă în care energia termică a gazului comprimat și încălzit (de obicei, produse de ardere) este transformată în lucru mecanic de rotație pe un arbore; este un element structural al unui motor cu turbină cu gaz.

Încălzirea gazului comprimat are loc de obicei în camera de ardere. De asemenea, este posibil să se efectueze încălzirea într-un reactor nuclear etc. Turbinele cu gaz au apărut pentru prima dată în sfârşitul XIX-lea V. ca motor cu turbină cu gaz și ca proiectare erau aproape de o turbină cu abur. O turbină cu gaz este din punct de vedere structural o serie de jante staționare ale paletelor dispuse ordonat ale aparatului de duză și jante rotative ale rotorului, care, ca rezultat, formează partea de curgere. Etapa turbinei este un aparat cu duză combinat cu un rotor. Etapa constă dintr-un stator, care include părți staționare (carcasă, lame de duză, inele de bandaj) și un rotor, care este un set de părți rotative (cum ar fi lamele rotative, discuri, arbore).

Clasificarea turbinelor cu gaz se realizează în funcție de mulți caracteristici de proiectare: în funcție de direcția fluxului de gaz, numărul de trepte, metoda de utilizare a diferenței de căldură și metoda de alimentare cu gaz la rotor. Pe baza direcției fluxului de gaz, turbinele cu gaz pot fi distinse între axiale (cele mai frecvente) și radiale, precum și diagonale și tangențiale. La turbinele axiale cu gaz, fluxul în secțiunea meridională este transportat în primul rând de-a lungul întregii axe a turbinei; la turbinele radiale, dimpotriva, este perpendiculara pe axa. Turbine radiale sunt împărțite în centripete și centrifuge. Într-o turbină diagonală, gazul curge la un anumit unghi față de axa de rotație a turbinei. Rotorul unei turbine tangenţiale nu are pale; astfel de turbine sunt folosite pentru un debit foarte scăzut de gaz, de obicei la instrumentele de măsură. Turbinele cu gaz vin în tipuri simple, duble și cu mai multe trepte.

Numărul de trepte este determinat de mulți factori: scopul turbinei, proiectarea acesteia, puterea totală dezvoltată de o treaptă, precum și căderea de presiune care se declanșează. După metoda de utilizare a diferenței de căldură disponibilă, se face distincția între turbinele cu trepte de viteză, în care doar debitul se rotește în rotor, fără modificarea presiunii (turbine active), și turbinele cu trepte de presiune, în care presiunea scade atat in aparatul duzei cat si pe paletele rotorului (turbine cu jet). În turbinele cu gaz parțiale, gazul este furnizat rotorului de-a lungul unei părți a circumferinței aparatului cu duză sau de-a lungul întregii sale circumferințe.

Într-o turbină cu mai multe etape, procesul de conversie a energiei constă dintr-un număr de procese secvenţiale în etape individuale. Gazul comprimat și încălzit este furnizat canalelor interlame ale aparatului duzei la o viteză inițială, unde, în timpul procesului de expansiune, o parte din diferența de căldură disponibilă este convertită în energia cinetică a jetului de ieșire. O expansiune suplimentară a gazului și conversia transferului de căldură în lucru util are loc în canalele inter-lame ale rotorului. Fluxul de gaz, care acționează asupra palelor rotorului, creează cuplu pe arborele principal al turbinei. În acest caz, viteza absolută a gazului scade. Cu cât această viteză este mai mică, cu atât majoritatea energia gazoasă a fost transformată în lucru mecanic pe arborele turbinei.

Eficiența caracterizează eficiența turbinelor cu gaz, care este raportul dintre munca îndepărtată de pe arbore și energia gazului disponibil în fața turbinei. Eficiența efectivă a turbinelor moderne cu mai multe trepte este destul de mare și ajunge la 92-94%.

Principiul de funcționare al unei turbine cu gaz este următorul: gazul este pompat în camera de ardere de către un compresor, amestecat cu aer, formează un amestec de combustibil și este aprins. Produsele de ardere rezultate cu o temperatură ridicată (900-1200 ° C) trec prin mai multe rânduri de pale montate pe arborele turbinei și duc la rotația turbinei. Energia mecanică rezultată a arborelui este transmisă printr-o cutie de viteze la un generator care generează electricitate.

Energie termală Gazele care ies din turbina intră în schimbătorul de căldură. De asemenea, în loc de a produce energie electrică, energia mecanică a turbinei poate fi folosită pentru a acționa diverse pompe, compresoare etc. Cel mai des folosit combustibil pentru turbinele cu gaz este gazul natural, deși acest lucru nu poate exclude posibilitatea utilizării altor combustibili gazoși. Dar, în același timp, turbinele cu gaz sunt foarte capricioase și impun cerințe sporite asupra calității pregătirii sale (sunt necesare anumite incluziuni mecanice și umiditate).

Temperatura gazelor emanate din turbină este de 450-550 °C. Raportul cantitativ dintre energia termică și energia electrică pentru turbinele cu gaz variază de la 1,5: 1 la 2,5: 1, ceea ce face posibilă construirea de sisteme de cogenerare care diferă prin tipul de lichid de răcire:

1) utilizarea directă (directă) a gazelor de evacuare fierbinți;
2) producerea de abur de joasă sau medie presiune (8-18 kg/cm2) într-un cazan extern;
3) producție apa fierbinte(mai bine când temperatura necesară depășește 140 °C);
4) producție de abur de înaltă presiune.

Oamenii de știință sovietici B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov și alții au avut o mare contribuție la dezvoltarea turbinelor cu gaz, crearea de turbine cu gaz pentru unități de turbine cu gaz staționare și mobile a realizat companii străine(Swiss Brown-Boveri, unde a lucrat celebrul om de știință slovac A. Stodola, și Sulzer, American General Electric etc.).

ÎN dezvoltare ulterioară turbinele cu gaz depinde de posibilitatea creșterii temperaturii gazului în fața turbinei. Acest lucru se datorează creării de noi materiale rezistente la căldură și sisteme de răcire fiabile pentru lamele de lucru, cu îmbunătățiri semnificative în partea de curgere etc.

Datorită tranziției pe scară largă din anii 1990. Turbinele cu gaz au ocupat un segment semnificativ de piață pentru utilizarea gazului natural ca principal combustibil pentru generarea de energie electrică. Cu toate că eficienta maxima echipamentele se realizează la puteri de 5 MW și mai mari (până la 300 MW), unii producători produc modele în intervalul 1-5 MW.

Turbinele cu gaz sunt folosite în aviație și centrale electrice.

• Anterior: ANALIZOR DE GAZ
• Ca urmare a: MOTOR PE GAZ

Categorie: Industrie pe G 

Centralele electrice de putere relativ scăzută pot include atât motoare cu turbină cu gaz (GTE) cât și motoare cu piston (RP). În acest sens, clienții au adesea o întrebare: care unitate este de preferat. Și, deși este imposibil să răspundem fără echivoc, scopul acestui articol este o încercare de a înțelege această problemă.

Introducere

Selectarea tipului de motor, precum și a numărului acestora, pentru a conduce generatoarele electrice la o centrală electrică de orice capacitate este o sarcină tehnică și economică complexă. Încercările de a compara motoarele cu piston și turbine cu gaz ca acționări sunt cel mai adesea realizate folosind gaz natural ca combustibil. Avantajele și dezavantajele lor fundamentale au fost analizate în literatura tehnică, în broșurile publicitare ale producătorilor de centrale electrice cu motoare cu piston și chiar pe Internet.

De regulă, sunt furnizate informații generalizate despre diferența de consum de combustibil și costul motoarelor fără a lua în considerare puterea și condițiile de funcționare ale acestora. Se remarcă adesea că este de preferat să se formuleze centrale electrice cu o capacitate de 10-12 MW pe baza motoarelor cu piston, iar pentru centrale mai mari pe baza motoarelor cu turbină cu gaz. Aceste recomandări nu trebuie luate ca o axiomă. Un lucru este evident: fiecare tip de motor are propriile avantaje și dezavantaje, iar atunci când alegeți o unitate, sunt necesare câteva criterii, cel puțin orientative, cantitative pentru evaluarea lor.

În prezent, piața energetică din Rusia oferă o gamă destul de largă de motoare cu piston și turbine cu gaz. Dintre motoarele cu piston predomină motoarele de import, iar printre motoarele cu turbine cu gaz predomină cele autohtone.

Informațiile despre caracteristicile tehnice ale motoarelor cu turbine cu gaz și ale centralelor electrice bazate pe acestea, propuse pentru funcționare în Rusia, au fost publicate în mod regulat în ultimii ani în „Catalogul de echipamente pentru turbine cu gaz”.

Informații similare despre motoarele cu piston și centralele electrice din care fac parte pot fi adunate numai din broșurile publicitare ale companiilor ruse și străine care furnizează acest echipament. Informațiile despre costul motoarelor și centralelor electrice nu sunt de cele mai multe ori publicate, iar informațiile publicate nu sunt adesea adevărate.

Comparație directă a motoarelor cu piston și turbine cu gaz

Prelucrarea informațiilor disponibile ne permite să generăm tabelul de mai jos, care conține atât evaluarea cantitativă, cât și calitativă a avantajelor și dezavantajelor motoarelor cu piston și turbine cu gaz. Din păcate, unele dintre caracteristici sunt preluate din materiale publicitare, a căror acuratețe completă este extrem de dificil sau aproape imposibil de verificat. Datele necesare pentru verificarea performanței motoarelor și centralelor individuale, cu rare excepții, nu sunt publicate.

Desigur, cifrele date sunt generalizate; pentru anumite motoare vor fi strict individuale. În plus, unele dintre ele sunt date în conformitate cu Standardele ISO, iar condițiile reale de funcționare ale motoarelor diferă semnificativ de cele standard.

Informațiile furnizate oferă doar Caracteristici calitative motoare și nu pot fi utilizate la selectarea echipamentelor pentru o anumită centrală electrică. Se pot face câteva comentarii pentru fiecare poziție din tabel.

Index	tipul motorului
	Piston	Turbina de gaz
Gama de puteri ale motorului unității (ISO), MW	0.1 - 16.0	0.03 - 265.0
Modificarea puterii la temperatura exterioară constantă	Mai stabil când sarcina este redusă cu 50%. Eficiența scade cu 8-10%	Mai puțin stabil când sarcina este redusă cu 50%. Eficiența scade cu 50%
Influența temperaturii aerului exterior asupra puterii motorului	Practic, niciun efect	Când temperatura scade la -20°C, puterea crește cu aproximativ 10-20%, când crește la +30°C, scade cu 15-20%
Influența temperaturii aerului exterior asupra eficienței motorului	Practic, niciun efect	Când temperatura scade la -20°C, eficiența crește cu aproximativ 1,5% abs.
Combustibil	Gazos, lichid	Gazos, lichid (la comandă specială)
Presiunea gazului combustibil necesar, MPa	0.01 - 0.035	Mai mult de 1,2
Eficiența generării de energie electrică atunci când funcționează pe gaz (ISO)	de la 31% la 48%	Într-un ciclu simplu de la 25% la 38%, într-un ciclu combinat - de la 41% la 55%
Raportul dintre puterea electrică și cantitatea de căldură recuperată, MW/MW (ISO)	1/(0.95-1.3)	1/(1.4-4.0)
Posibilități de utilizare a căldurii de evacuare recuperate	Doar pentru încălzirea apei la temperaturi peste 115°C	Pentru producerea de abur pentru producerea de energie electrică, refrigerare, desalinizarea apei etc., pentru încălzirea apei la o temperatură de 150°C
Influența temperaturii aerului exterior asupra cantității de căldură recuperată	Practic, niciun efect	Când temperatura aerului scade, cantitatea de căldură în prezența unui dispozitiv cu lame reglabile într-o turbină cu gaz aproape nu scade, dar în absența acesteia scade
Resursa motorie, h	Mai mult: până la 300.000 pentru motoarele cu turație medie	Mai puțin: până la 100.000
Rata de creștere a costurilor de exploatare odată cu creșterea duratei de viață	Mai puțin înalt	Superior
Greutatea unității de putere (motor cu generator electric și echipament auxiliar), kg/kW	Semnificativ mai mare: 22,5	Semnificativ mai mic: 10
Dimensiunile unității de alimentare, m	Mai mult: 18,3x5,0x5,9 cu o putere unitară de 16 MW fără sistem de răcire	Mai puțin: 19,9x5,2x3,8 cu o putere unitară de 25 MW
Consum specific de ulei, g/kW*h	0.3 - 0.4	0.05
Numărul de porniri	Nu este limitat și nu afectează reducerea duratei de viață a motorului	Nu se limitează, dar afectează reducerea duratei de viață a motorului
Mentenabilitatea	Reparațiile se pot face la fața locului și necesită mai puțin timp	Reparațiile sunt posibile la o unitate specială
Costul reviziei	Mai ieftin	Scump
Ecologie	Specific - în mg/m3 - mai mult, dar volumul emisiilor nocive în m3 este mai mic	Specific - în mg/m3 - mai puțin, dar volumul emisiilor în m3 este mai mare
Costul unității de alimentare	Mai puțin pentru puterea motorului unității de până la 3,5 MW	Mai puțin pentru o putere unitară a motorului mai mare de 3,5 MW

Piața energiei oferă o selecție foarte mare de motoare cu diferențe semnificative în caracteristicile tehnice. Concurența între motoarele din tipurile luate în considerare este posibilă numai în intervalul de putere electrică unitară de până la 16 MW. La puteri mai mari, motoarele cu turbine cu gaz înlocuiesc aproape complet motoarele cu piston.

Trebuie avut în vedere faptul că fiecare motor are caracteristici individuale și numai acestea ar trebui folosite atunci când alegeți tipul de unitate. Acest lucru face posibilă formularea compoziției echipamentului principal al unei centrale electrice de o putere dată în mai multe opțiuni, variind, în primul rând, puterea electrică și numărul de motoare necesare. Multipletatea opțiunilor face dificilă alegerea tipului de motor preferat.

Despre eficiența motoarelor cu piston și turbine cu gaz

Cea mai importantă caracteristică a oricărui motor dintr-o centrală este randamentul de generare a energiei (EP), care determină volumul principal, dar nu și complet, al consumului de gaz. Prelucrarea datelor statistice privind valorile de eficiență face posibilă arătarea clară a domeniilor de aplicare în care, conform acestui indicator, un tip de motor are avantaje față de altul.

Locația și configurația relativă a celor trei evidențiate în Fig. 1 zone în care sunt situate imaginile cu puncte ale valorilor electrice Eficiența diverselor motoare, ne permite să tragem câteva concluzii:

• chiar și în cadrul aceluiași tip de motor de aceeași putere, există o răspândire semnificativă a valorilor de eficiență pentru generarea de energie electrică;
• cu o putere unitară mai mare de 16 MW, motoarele cu turbină cu gaz în ciclu combinat asigură o valoare a randamentului de peste 48% și au monopol pe piață;
• randamentul electric al motoarelor cu turbină cu gaz cu o putere de până la 16 MW, care funcționează atât în ​​cicluri simple, cât și în cicluri combinate, este mai mic (uneori foarte semnificativ) decât cel al motoarelor cu piston;
• motoarele cu turbină cu gaz cu o putere unitară de până la 1 MW, care au apărut recent pe piață, sunt superioare ca eficiență față de motoarele cu o putere de 2-8 MW, care sunt cel mai des folosite astăzi în centralele electrice;
• natura modificării eficienței motoarelor cu turbină cu gaz are trei zone: două cu o valoare relativ constantă - 27, respectiv 36%, și una cu o valoare variabilă - de la 27 la 36%; în două zone, eficiența depinde slab de puterea electrică;
• Valoarea eficienței pentru generarea de energie electrică a motoarelor cu piston este în constantă dependență de puterea lor electrică.

Cu toate acestea, acești factori nu reprezintă un motiv pentru a acorda prioritate motoarelor cu piston. Chiar dacă centrala electrică va genera numai energie electrică, calculele economice vor trebui efectuate atunci când se compară opțiunile de compoziție a echipamentelor cu diferite tipuri de motoare. Este necesar să se demonstreze că costul gazului economisit va acoperi diferența de cost al motoarelor cu piston și turbine cu gaz, precum și echipamente suplimentare pentru acestea. Cantitatea de gaz economisită nu poate fi determinată dacă modul de funcționare al stației de alimentare cu energie electrică iarna și iarna este necunoscut. ora de vara. În mod ideal, sunt cunoscute sarcinile electrice necesare - maxime (zi de lucru de iarnă) și minime (weekend de vară).

Utilizarea atât a energiei electrice, cât și a energiei termice

Dacă o centrală electrică trebuie să producă nu numai energie electrică, ci și energie termală, atunci va fi necesar să se determine care surse pot acoperi consumul de căldură. De regulă, există două astfel de surse - căldura recuperată a motorului și/sau camera cazanului.

Motoarele cu piston folosesc căldura uleiului de răcire, a aerului comprimat și a gazelor de eșapament, în timp ce motoarele cu turbină cu gaz utilizează doar căldura gazelor de eșapament. Cantitatea principală de căldură este recuperată din gazele de eșapament folosind schimbătoare de căldură reziduală (RHE).

Cantitatea de căldură recuperată depinde în mare măsură de modul de funcționare al motorului pentru generarea de energie electrică și de condițiile climatice. Evaluarea incorectă a modurilor de funcționare a motorului în timp de iarna va duce la erori în determinarea cantității de căldură recuperată și la selectarea incorectă a capacității instalate a cazanului.

Graficele din fig. 2 arată posibilitățile de eliberare a căldurii recuperate de la motoarele cu turbine cu gaz și cu piston în scopul furnizării de căldură. Punctele de pe curbe corespund datelor producătorului privind capacitățile echipamentelor existente pentru recuperarea căldurii. Producătorii instalează diferite UTO-uri pe un motor de aceeași putere electrică, în funcție de sarcini specifice.

Avantajele motoarelor cu turbine cu gaz în ceea ce privește generarea de căldură sunt incontestabile. Acest lucru este valabil mai ales pentru motoarele cu o putere electrică de 2-10 MW, ceea ce se explică prin valoarea relativ scăzută a eficienței lor electrice. Pe măsură ce eficiența motoarelor cu turbină cu gaz crește, cantitatea de căldură recuperată trebuie inevitabil să scadă.

Atunci când alegeți un motor cu piston pentru alimentarea cu energie și căldură la o anumită instalație, necesitatea de a utiliza o cameră de cazane ca parte a unei centrale electrice este aproape fără îndoială. Funcționarea unei camere de cazane necesită o creștere a consumului de gaz dincolo de cea necesară producerii de energie electrică. Se pune întrebarea cu privire la modul în care costurile cu gaz pentru alimentarea cu energie electrică a instalației diferă, dacă într-un caz se folosesc doar motoare cu turbină cu gaz cu recuperare de căldură din gazele de eșapament, iar în celălalt, se folosesc motoare cu piston cu recuperare de căldură și o cameră de cazane. . Numai după un studiu amănunțit al caracteristicilor consumului de energie electrică și căldură al unui obiect se poate răspunde la această întrebare.

Dacă presupunem că consumul de căldură estimat al unui obiect poate fi acoperit complet de căldura recuperată a unui motor cu turbină cu gaz, iar lipsa căldurii atunci când se utilizează un motor cu piston este compensată de camera cazanului, atunci este posibil să se identifice natura a modificării consumului total de gaz pentru alimentarea cu energie a obiectului.

Folosind datele din fig. 1 și 2, este posibil pentru punctele caracteristice ale zonelor marcate în Fig. 1, obțineți informații despre economiile de gaz sau excesul de consum atunci când utilizați diferite tipuri de unități. Ele sunt prezentate în tabel:

Valorile absolute ale economiilor de gaze sunt valabile numai pentru un anumit obiect, ale cărui caracteristici au fost incluse în calcul, dar natura generală a dependenței este reflectată corect, și anume:
cu valori relativ apropiate ale eficienței electrice (diferență de până la 10%), utilizarea motoarelor cu piston și a unui cazan duce la un consum excesiv de combustibil;

• cu valori relativ apropiate ale eficienței electrice (diferență de până la 10%), utilizarea motoarelor cu piston și a unei camere de cazane duce la un consum excesiv de combustibil;
• dacă diferența de eficiență este mai mare de 10%, funcționarea motoarelor cu piston și a camerei cazanelor va necesita mai puțin gaz decât pentru motoarele cu turbină cu gaz;
• există un anumit punct cu economii maxime de gaz atunci când se utilizează motoare cu piston și o cameră de cazane, unde diferența dintre valorile eficienței motorului este de 13-14%;
• Cu cât valoarea eficienței unui motor cu piston este mai mare și cu cât eficiența unui motor cu turbină cu gaz este mai mică, cu atât economiile de gaz sunt mai mari.

Ca supliment

De regulă, sarcina nu se limitează la alegerea tipului de acționare; este necesar să se determine compoziția principalului echipament al centralei electrice - tipul de unități, numărul acestora, echipamentul auxiliar.

Alegerea motoarelor pentru a produce cantitatea necesară de energie electrică determină posibilitatea de a genera căldură recuperată. În acest caz, este necesar să se ia în considerare toate caracteristicile modificărilor caracteristicilor tehnice ale motorului asociate cu condițiile climatice, cu natura sarcina electricași să determine impactul acestor modificări asupra degajării căldurii recuperate.

De asemenea, este necesar să ne amintim că centrala electrică include nu numai motoare. Amplasamentul său găzduiește de obicei peste o duzină de structuri auxiliare, a căror funcționare afectează și tehnica și indicatori economici centrale electrice.

După cum sa indicat deja, componența echipamentelor centralei electrice din punct de vedere tehnic poate fi formată în mai multe opțiuni, astfel încât alegerea sa finală nu poate fi justificată decât din punct de vedere economic.

În același timp, cunoașterea caracteristicilor motoarelor specifice și a impactului acestora asupra performanței economice a viitoarei centrale electrice este extrem de importantă. Atunci când se efectuează calcule economice, este inevitabil să se ia în considerare durata de viață, mentenabilitatea, timpul și costul reparatii majore. Acești indicatori sunt, de asemenea, individuali pentru fiecare motor specific, indiferent de tipul acestuia.

Nu poate fi exclusă influența factorilor de mediu asupra alegerii tipului de motoare pentru o centrală electrică. Condițiile atmosferice din zona în care urmează să funcționeze centrala pot fi un factor major în determinarea tipului de motor (în ciuda oricăror considerente economice).

După cum sa menționat deja, datele privind costul motoarelor și centralelor electrice pe baza acestora nu sunt publicate. Producătorii sau furnizorii de echipamente se referă la posibile diferențe de configurație, condiții de livrare și alte motive. Doar după completarea chestionarului companiei vor fi prezentate prețurile. Prin urmare, informațiile din primul tabel conform cărora costul motoarelor cu piston cu o putere de până la 3,5 MW este mai mic decât costul motoarelor cu turbină cu gaz de aceeași putere se pot dovedi a fi incorecte.

Concluzie

Astfel, în clasa de putere unitară de până la 16 MW, nu se poate acorda o preferință clară nici motoarelor cu turbină cu gaz, nici motoarelor cu piston. Doar o analiză amănunțită a condițiilor de funcționare așteptate ale unei anumite centrale electrice pentru generarea de energie electrică și căldură (ținând cont de caracteristicile motoarelor specifice și a numeroși factori economici) va face posibilă justificarea pe deplin a alegerii tipului de motor. O companie specializată poate determina compoziția echipamentului la nivel profesional.

Referințe

1. Gabich A. Aplicarea motoarelor cu turbine cu gaz de putere redusă în sectorul energetic // Tehnologii cu turbine cu gaz. 2003, nr 6. P. 30-31.
2. Burov V. D. Turbine cu gaz și motoare cu piston cu gaz centrale electrice putere redusă // Jurnal de minerit. 2004, număr special. pp. 87-89.133.
3. Catalog echipamente turbine cu gaz // Tehnologii turbine cu gaz. 2005. P. 208.
4. Salikhov A. A., Fatkulin R. M., Abrahmanov P. P., Shchaulov V. Yu. Dezvoltarea mini-CHP folosind motoare cu piston pe gaz în Republica Bashkortostan // Știri despre furnizarea de căldură. 2003, nr 11. p. 24-30.

Acest articol cu ​​mici modificări este preluat din revista „Turbine și Diesel”, Nr.1(2) pentru anul 2006.
Autor - V.P. Vershinsky, Gazpromenergoservice LLC.

Din când în când se spune în știri că, de exemplu, la o astfel de centrală raională de stat este în plină desfășurare construcția unui CCGT de 400 MW, iar la un alt CHPP-2 instalarea unei turbine cu gaz de așa fel. multi MW au fost pusi in functiune. Despre astfel de evenimente sunt scrise și acoperite, deoarece includerea unor astfel de unități puternice și eficiente nu este doar o „bifă” în implementarea programului de stat, ci și o creștere reală a eficienței centralelor electrice, a sistemului energetic regional și chiar sistemul energetic unificat.

Dar aș dori să vă atrag atenția nu despre implementarea programelor de stat sau a indicatorilor de prognoză, ci despre PSU și GTU. Nu numai o persoană obișnuită, ci și un inginer energetic începător pot fi confuzi în acești doi termeni.

Să începem cu ceea ce este mai simplu.

GTU - unitate de turbină cu gaz - este o turbină cu gaz și un generator electric combinate într-o singură carcasă. Este benefic sa-l instalezi la centrale termice. Acest lucru este eficient și multe reconstrucții ale centralelor termice au ca scop instalarea doar de astfel de turbine.

Iată un ciclu simplificat de funcționare a unei stații termice:

Gazul (combustibilul) intră în cazan, unde arde și transferă căldură apei, care iese din cazan sub formă de abur și rotește turbina cu abur. Și turbina cu abur întoarce generatorul. Primim energie electrică de la generator, iar dacă este necesar, luăm abur pentru nevoi industriale (încălzire, încălzire) de la turbină.

Și într-o instalație de turbină cu gaz, gazul arde și învârte o turbină cu gaz, care generează electricitate, iar gazele de evacuare transformă apa în abur într-un cazan de căldură reziduală, adică. gazul functioneaza cu dublu beneficiu: mai intai arde si invarte turbina, apoi incalzeste apa din cazan.

Și dacă instalația turbinei cu gaz în sine este prezentată și mai detaliat, va arăta astfel:

Acest videoclip arată clar ce procese au loc într-o instalație de turbină cu gaz.

Dar va exista și mai mult beneficiu dacă aburul rezultat este făcut să funcționeze - puneți-l într-o turbină cu abur, astfel încât să funcționeze un alt generator! Apoi, unitatea noastră de turbină cu gaz va deveni o UNITATE DE ABUR-GAZ (SGU).

Ca rezultat, PSU este un concept mai larg. Această instalație este o unitate de putere independentă, unde combustibilul este folosit o dată și electricitatea este generată de două ori: într-o unitate cu turbină cu gaz și într-o turbină cu abur. Acest ciclu este foarte eficient și are o eficiență de aproximativ 57%! Acesta este un rezultat foarte bun, care vă permite să reduceți semnificativ consumul de combustibil pe kilowatt-oră de energie electrică!

În Belarus, pentru a crește eficiența centralelor electrice, unitățile cu turbine cu gaz sunt utilizate ca „suprastructură” pentru schema centrală termică existentă, iar unitățile cu turbine cu gaz cu ciclu combinat sunt construite la centralele electrice districtuale de stat ca unități de putere independente. Funcționând la centralele electrice, aceste turbine cu gaz nu numai că măresc „indicatorii tehnici și economici de prognoză”, dar îmbunătățesc și managementul generației, deoarece au o manevrabilitate ridicată: viteza de pornire și generarea de energie.

Atât de utile sunt aceste turbine cu gaz!